深入理解 Java 中的继承（extend）

简介

在 Java 编程中，继承（extend）是一个强大的特性，它允许创建一个新类（子类），该类继承自一个已有的类（父类）。通过继承，子类可以复用父类的属性和方法，同时还可以添加自己独特的属性和方法，从而实现代码的复用和功能的扩展。本文将详细介绍 Java 中继承的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，帮助你全面掌握这一重要特性。

基础概念

父类（超类、基类）

父类是被其他类继承的类，它包含了一些通用的属性和方法，这些属性和方法可以被子类继承。例如，在一个图形绘制系统中，Shape 类可以作为父类，它可能包含一些通用的属性，如颜色、位置，以及一些通用的方法，如绘制方法 draw()。

子类（派生类）

子类是继承自父类的类，它继承了父类的属性和方法，并可以根据需要添加自己的属性和方法。继续以上面的图形绘制系统为例，Circle 类和 Rectangle 类可以作为 Shape 类的子类，它们除了继承 Shape 类的属性和方法外，还可以有自己独特的属性（如 Circle 类的半径，Rectangle 类的长和宽）和方法（如 Circle 类的计算面积方法 calculateArea()）。

继承的好处

代码复用：子类可以复用父类的代码，减少代码冗余。
可维护性：当父类的代码发生变化时，子类可以自动继承这些变化，提高代码的可维护性。
多态性：通过继承，可以实现多态性，使得代码更加灵活和可扩展。

使用方法

定义父类

在 Java 中，定义一个父类与定义普通类没有太大区别，只是需要注意一些设计原则。以下是一个简单的父类示例：

public class Animal {
    private String name;
    private int age;

    public Animal(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }

    public void sleep() {
        System.out.println(name + " is sleeping.");
    }
}

定义子类

使用 extends 关键字来定义子类，子类会继承父类的属性和方法。以下是一个 Dog 类继承自 Animal 类的示例：

public class Dog extends Animal {
    private String breed;

    public Dog(String name, int age, String breed) {
        super(name, age); // 调用父类构造函数
        this.breed = breed;
    }

    public void bark() {
        System.out.println(name + " is barking.");
    }
}

子类访问父类成员

子类可以通过 super 关键字访问父类的成员。例如，在子类的构造函数中，可以使用 super 调用父类的构造函数，以初始化从父类继承的属性。在子类的方法中，也可以使用 super 调用父类的方法。

public class Dog extends Animal {
    private String breed;

    public Dog(String name, int age, String breed) {
        super(name, age); // 调用父类构造函数
        this.breed = breed;
    }

    public void bark() {
        super.eat(); // 调用父类的 eat 方法
        System.out.println(getName() + " is barking.");
    }

    public String getName() {
        return super.name; // 访问父类的私有属性，通过 public 方法暴露
    }
}

方法重写

子类可以重写父类的方法，以提供自己的实现。方法重写需要满足以下条件： - 方法名、参数列表和返回类型必须与父类中的方法相同（返回类型可以是父类方法返回类型的子类，这是 Java 5 引入的协变返回类型）。 - 重写方法的访问修饰符不能比父类方法的访问修饰符更严格。

以下是一个方法重写的示例：

public class Dog extends Animal {
    private String breed;

    public Dog(String name, int age, String breed) {
        super(name, age);
        this.breed = breed;
    }

    @Override // 注解，用于标识方法重写
    public void eat() {
        System.out.println(getName() + " is eating dog food.");
    }
}

常见实践

代码复用

通过继承，子类可以复用父类的代码，减少重复代码的编写。例如，在一个游戏开发中，Character 类可以作为父类，包含一些通用的属性和方法，如生命值、攻击力、移动方法等。Warrior 类和 Mage 类可以作为 Character 类的子类，继承这些通用的属性和方法，并根据自身特点添加独特的属性和方法。

多态实现

多态是指同一个方法可以根据对象的实际类型而表现出不同的行为。通过继承和方法重写，可以实现多态性。例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal1 = new Animal("Tom", 2);
        Animal animal2 = new Dog("Buddy", 3, "Labrador");

        animal1.eat(); // 输出: Tom is eating.
        animal2.eat(); // 输出: Buddy is eating dog food.
    }
}

在这个例子中，animal1 和 animal2 都是 Animal 类型的对象，但 animal2 实际上是 Dog 类的实例。当调用 eat() 方法时，会根据对象的实际类型调用相应的实现，体现了多态性。

构建类层次结构

继承可以用于构建类层次结构，将相关的类组织在一起，使代码结构更加清晰。例如，在一个图形绘制系统中，可以构建如下的类层次结构：

Shape
    |-- Rectangle
    |-- Circle
    |-- Triangle

Shape 类作为父类，包含一些通用的属性和方法，如颜色、位置、绘制方法等。Rectangle、Circle 和 Triangle 类作为子类，继承 Shape 类的属性和方法，并根据自身特点实现绘制方法。

最佳实践

合理设计继承层次

继承层次应该设计得简洁明了，避免过深的继承层次。过深的继承层次会导致代码难以理解和维护。同时，应该确保父类和子类之间存在合理的 “is-a” 关系，即子类确实是父类的一种特殊类型。

遵循里氏替换原则

里氏替换原则是指任何父类出现的地方，子类都可以出现，并且替换为子类后不会产生任何错误或异常。这意味着子类应该保持父类的行为契约，不能改变父类方法的预期行为。

谨慎使用方法重写

方法重写应该谨慎使用，确保重写后的方法符合父类方法的语义。在重写方法时，应该考虑是否会影响到父类方法的正常使用，以及是否会破坏整个类层次结构的一致性。

小结

继承（extend）是 Java 中一个重要的特性，它允许子类继承父类的属性和方法，实现代码复用和功能扩展。通过合理使用继承，可以提高代码的可维护性和可扩展性。在使用继承时，需要注意基础概念的理解，掌握正确的使用方法，遵循常见实践和最佳实践，以编写出高质量的 Java 代码。

参考资料

《Effective Java》 - Joshua Bloch
《Java 核心技术》 - Cay S. Horstmann, Gary Cornell